0 引　言

大型船舶的柴油机动力系统污染物主要包括各类废气、污水、燃油泄漏和固体垃圾等，其中，废气污染物以氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)和二氧化氮等温室气体为主，这些废气污染物不仅会导致酸雨等气象灾害，还会造成全球气候变暖、温室效应等长期的问题。

根据全球数据统计，船舶柴油主机产生的废气占整个大气污染源的10%～15%，而NOx/SOx等污染物占整个船舶行业30%以上。因此，加强对船舶柴油机废气的监管水平，降低船舶的废气污染物排放已经成为全球的共识。本文完成船舶废气污染物在线监测系统的整体设计，初步阐述废气监测系统的原理和构成；完成了针对台架测试的船舶柴油机废气排放污染监测系统的硬件设计，重点包括信号采集电路、传感器设计等。

1 船舶废气污染物的在线监测系统总体框架设计

本文设计的船舶柴油机废气污染物在线监测系统主要由传感器节点、信号处理单元、供电单元、数据通信模块以及NOx/SOx等污染物的传感器组成。

图1为船舶柴油机废气污染物在线监测系统原理框图。

船舶柴油机废气污染物在线监测系统各具备以下功能：

1）具备NOx/SOx等污染物的识别和数据采集功能，确定NOx/SOx等污染物的排放量，如排放标准进行对比，当NOx/SOx等污染物排放量超标时向系统发送报警信号。

2）监测数据的无线传输功能，利用局域网将台架测试过程中的NOx/SOx等污染物排放数据发送到监控中心。监控中心也可以通过局域网控制船舶废气监测系统的运行。

柴油机废气污染物在线监测系统的关键硬件构成包括传感器部分和电路部分：

1）传感器部分

传感器是柴油机废气污染物在线监测系统采集污染物的基础，本文在设计监测系统时，除了NOx/SOx等污染物对应的监测传感器外，还配置了流量计、温度传感器、压力传感器和柴油机转速仪等，对台架测试过程中的船舶柴油机污染物排放进行综合的采集和分析^[1]。

2）电路部分

电路设计是废气污染物监测系统的重要内容，主要包括系统的供电电路、信号采集电路等，本文详细介绍污染物监测系统的电路设计。

2 台架测试的船用柴油机NO_X废气排放计算

为了明确船用柴油机废气排放监测系统的排放量标准，对船用柴油机的燃料燃油组成进行分析。以常用燃料液化天然气LNG为例，主要成分是甲烷，同时含有乙烷、丙烷、丁烷、惰性气体、氮氧化物和硫氧化物等，液化天然气LNG的成分示意图如图2所示。

定义燃料中甲烷的含量为a，乙烷的含量为b，丙烷的含量为c，丁烷的含量为d，NOx的含量为e，SOx的含量为f，则液化天然气各种元素的质量占比分别为：

$ \begin{split} & {W_C}{\text{ = }}\frac{{{a}}}{{{\text{16}}}} \times {\text{12 + }}\frac{{{b}}}{{{\text{30}}}} \times {\text{24 + }}\frac{{{c}}}{{{\text{44}}}} \times {\text{36 + }}\frac{{{d}}}{{{\text{58}}}} \times {\text{48 + }}\frac{{{f}}}{{{\text{44}}}} \times {\text{12}}，\\ & {W_{\text{O}}}{\text{ = }}\frac{{{a}}}{{{\text{16}}}} \times {\text{4 + }}\frac{{{b}}}{{{\text{30}}}} \times {\text{6 + }}\frac{{{c}}}{{{\text{44}}}} \times {\text{8 + }}\frac{{{d}}}{{{\text{58}}}} \times {\text{10}}，\\ & {{\text{W}}_{\text{S}}}{\text{ = }}\frac{{{f}}}{{{\text{44}}}} \times {\text{32}}，\\ & {{\text{W}}_{\text{N}}}{\text{ = }}\frac{{{f}}}{{{\text{28}}}} \times {\text{32}} 。\end{split} $

其中： $ {W_C} $ 为碳元素含量； $ {W_{\text{O}}} $ 为氧元素含量； $ {{\text{W}}_{\text{S}}} $ 为硫元素含量； $ {{\text{W}}_{\text{N}}} $ 为氮元素含量。

标准工况下船舶柴油发动机的废气系数可通过下式计算：

$ {{\text{u}}_{{\text{gat}}}}{\text{ = }}\frac{{{\rho _{{\text{gw}}}}}}{{{\rho _{\text{e}}} \times {{1\;000}}}} \text{，} $

式中， $ {\rho _{\text{e}}} $ 为柴油机的废气密度，按下式计算：

$ {\rho _e} = \frac{{1\;000 + {H_e} + 1\;000 \times \dfrac{{{K_a}}}{{{K_b}}}}}{{773.4 + 1.243 \times {H_e} + {W_C} \times 1\;000 \times \dfrac{{{K_a}}}{{{K_b}}}}} \text{。} $

式中： $ {H_e} $ 为吸入空气的湿度； $ \dfrac{{{K_a}}}{{{K_b}}} $ 为空燃比。

3 台架测试的船用柴油机废气排放污染度监测系统开发 3.1 关键系统硬件设计

1）AIS通信模块

柴油机废气污染物在线监测系统的无线通信系统采用AIS集成模块，该模块利用VHF天线^[2]进行静态信息和动态信息的传递与处理，通信模块在发送船舶废气监测数据前对数据进行编码，然后通过VHF天线发送至基站。AIS模块采用的通信协议为IEC61162，输出和输入接口采用RS232/485。

2）流量计

流量计是采集船舶柴油机废气流量的传感器，集合船舶柴油机下的推进特性曲线，可初步得到柴油机额定转速在800～1000 r/min时每小时消耗的燃油在60～80 L之间。选择热式气体流量计，该流量计基于热扩散原理，由2个热敏电阻构成，当气体流量计处于正常工作状态时，一旦有柴油机废气流过，温度传感器通过电流变化反馈气体的流速，进而得到气体的具体流量值。

图3为柴油机废气监测系统采用的气体流量计示意图。

3）单片机

单片机是本文设计柴油机废气监测系统的核心，系统采用飞思卡尔MC9S12XEP100单片机，该单片机的性能参数包括：

① 有多路AD采集通道，可以同时采集台架测试过程中船舶柴油机的多种运行信号，不仅仅包括NOx/SOx等污染物排放信号；

② 具有2路以上CAN总线接口，可与船舶监测系统的其它模块实现数据的交互；

③ 3路SCI接口；

④ 采用SN74LVTH16244ASLADL 16位缓冲器^[3]，缓冲器电路设计如图4所示。

4）AD采集电路

柴油机废气监测系统采集的信号主要包括温度信号、流量信号、压力信号、湿度信号和速度信号等，其中大部分信号以电流和电压的模拟信号形式采集，并发送至监测系统的控制核心。

图5为柴油机废气监测系统的AD信号采集电路图。

3.2 台架测试的柴油机废气监测系统的数据采集

针对船用柴油机台架测试过程的废气进行监测，测试本文设计的监测系统性能，测试过程中采用比排放指数确定废气的排放量。

柴油机废气污染物监测系统中SOx（硫化物）的比排放计算公式如下：

$ {f_{SOx}} = 0.001\;537 \times {\rho _{SOx}} \times {K_l} \times {Q_l} \text{。} $

式中： $ {f_{SOx}} $ 为SOx（硫化物）比排放值， ${\rm{g}}/\left( {{\rm{kW}}\cdot {\rm{h}}} \right)$ ； $ {\rho _{SOx}} $ 为SOx（硫化物）体积百分数； $ {K_l} $ 为修正系数； $ {Q_l} $ 为柴油机的额定排放量，计算公式为：

$ {Q_l} = 14.3*\frac{{{G_0} \times 9\;550}}{{{T_0} \times n}}*\frac{{20}}{{\left( {20 - {f_{{O_2}}}} \right)}} \text{。} $

式中： $ {G_0} $ 为柴油机的油耗； $ {T_0} $ 为柴油机的输出扭矩； $ n $ 为柴油机转速； $ {f_{{O_2}}} $ 为氧气的体积百分数^[4]。

同理，可计算柴油机废气污染物监测系统中NOx（氮化物）的比排放计算公式如下：

$ {f_{NOx}} = 0.002\;47 \times {\rho _{NOx}} \times {K_l} \times {Q_l} \text{。} $

式中， $ {\rho _{NOx}} $ 为NOx（氮化物）的体积百分数。

台架测试选用的柴油机主参数如表1所示。

图6为监测系统采集的柴油机NOx（氮化物）的排量。

4 结　语

针对船舶柴油主机的NOx/SOx等污染物排放问题，本文开发船用柴油机废气排放监测系统，利用NOx/SOx等污染物传感器，实时监测台架测试过程中的船舶柴油机废气排放，详细介绍了监测系统的硬件构成。